nghiên cứu vô tuyến nhận thức hợp tác cảm nhận phổ trong môi trường pha đinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đinh Thị Thái Mai

NGHIÊN CỨU VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỢP TÁC CẢM
NHẬN PHỔ TRONG MÔI TRƯỜNG PHA ĐINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62 52 02 08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn

Hà Nội - 2016
i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những công việc được thực hiện trong luận án chưa từng
được các tác giả khác đề xuất. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực
và được công bố ở những Hội nghị, tạp chí có uy tín trong nước và Quốc tế.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với các công trình của mình.
Hà Nội, ngày . . . tháng . . . năm 2016
Tác giả

ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tự đáy lòng đến cố GS.TSKH.
Nguyễn Đình Thông, là người thầy đầu tiên đã dẫn dắt tôi đi theo con đường
nghiên cứu về vô tuyến có ý thức. Sự cẩn thận, nhẫn nại và chi tiết trong hướng
dẫn của thầy chính là động lực thúc đẩy tôi thêm đam mê nghiên cứu và có
được kết quả như ngày hôm nay. Cảm ơn thầy đã luôn tận tâm với học trò cho
đến tận giây phút cuối cùng.
Người thầy thứ hai tôi muốn gửi lời cảm ơn là PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn.
Thầy đã cho tôi những định hướng mang tính thời sự trong lĩnh vực mà mình
đang theo đuổi. Thầy cũng là người đã luôn tận tình giúp đỡ tôi, tạo điều kiện
tốt nhất cho tôi để được học tập, làm việc và nghiên cứu tại Bộ môn Hệ thống
Viễn Thông.
Cảm ơn hai em Trang Công Chung, Lâm Sinh Công đã đồng hành cùng tôi
trong những năm tháng làm nghiên cứu sinh. Tôi luôn trân trọng những khoảnh
khắc đáng nhớ khi làm việc cùng hai em.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô và các anh chị em
đồng nghiệp trong Khoa Điện tử -Viễn thông đã luôn chia sẻ, động viên và giúp
đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận án.
Lời cảm ơn cuối cùng, tôi xin gửi đến gia đình, người thân luôn thông cảm,
và khích lệ tôi trong những giai đoạn khó khăn nhất. Đặc biệt tôi muốn gửi lời
cảm ơn đến bố mẹ của tôi đã luôn ở bên cạnh, chăm sóc gia đình nhỏ của tôi
để tôi được yên tâm hoàn thành luận án của mình.
Luận án là món quà mà tôi muốn dành tặng riêng cho chồng và con tôi!
Hà Nội, ngày . . . tháng . . . năm 2016
Đinh Thị Thái Mai

iii


MỤC LỤC

Trang phụ bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

viii

Danh mục bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiv

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. CƠ SỞ CẢM NHẬN PHỔ SỬ DỤNG VÔ TUYẾN NHẬN

THỨC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.1. Tổng quan về vô tuyến nhận thức. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.1.1. Phân loại CR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.1.2. Các đặc tính của CR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1.3. Các chức năng của CR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.2. Các kỹ thuật cảm nhận phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.2.1. Phát hiện năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

1.2.2. Phát hiện đặc tính dừng lặp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

iv


1.2.3. Phát hiện phổ sử dụng bộ lọc hòa hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

1.3. Mô hình kênh truyền vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3.1. Mô hình tổng các tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3.2. Mô hình pha đinh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.3.3. Mô hình pha đinh Lognormal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.3.4. Mô hình pha đinh Suzuki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.4. Đánh giá hiệu năng cảm nhận phổ trong kênh pha đinh sử dụng bộ phát

hiện năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.4.1. Hiệu năng cảm nhận phổ cục bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.4.2. Hợp tác cảm nhận trong kênh pha đinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

1.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Chương 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG
CẢM NHẬN PHỔ TRONG MÔI TRƯỜNG PHA ĐINH . . . . . .

41

2.1. Phát hiện và loại bỏ các CR bị ảnh hưởng của pha đinh che khuất tương
quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.1.1. Mô hình pha đinh che khuất tương quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.1.2. Xác định các tín hiệu bị ảnh hưởng của pha đinh che khuất tương
quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.1.3. Mô phỏng và các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

2.2. Đề xuất tái sử dụng các CR bị ảnh hưởng của pha đinh sâu làm nút
chuyển tiếp (relay) cho quá trình hợp tác cảm nhận phổ . . . . . . . . . . . . . . . .

47

2.2.1. Hệ thống chuyển tiếp hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.2.2. Xác suất dừng của mạng chuyển tiếp DF hợp tác trong kênh pha
đinh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.2.3. Thuật toán tái sử dụng các CR trong cảm nhận hợp tác dưới ảnh
hưởng của pha đinh sâu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

2.2.4. Kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

v


2.3. Đề xuất giới hạn số lượng CR tham gia hợp tác cảm nhận trong mạng
cảm nhận phổ hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

2.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

Chương

3. TÁI SỬ DỤNG CÁC VÔ TUYẾN NHẬN THỨC BỊ

PHA ĐINH SÂU THÀNH CÁC BỘ CHUYỂN TIẾP PHÂN TẬP
AF TRONG HỢP TÁC CẢM NHẬN PHỔ DƯỚI ẢNH HƯỞNG
CỦA KÊNH PHA ĐINH SUZUKI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

3.1. Mô hình thu phân tập trong kênh pha đinh phức hợp . . . . . . . . . . . . . .

62

3.1.1. Phát hiện kết hợp tỷ số lớn nhất MRC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

3.1.2. Mô hình phân tập vi mô (micro - diversity) trong kênh pha đinh
phức hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

3.1.3. Mô hình phân tập vĩ mô (macro-diversity) trong kênh pha đinh
phức hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

3.1.4. Các kết quả mô phỏng và số học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

3.2. Mô hình của pha đinh Suzuki tương quan tại bộ thu MRC . . . . . . . . .

74

3.3. Chuyển tiếp phân tập hợp tác AF trong kênh pha đinh Suzuki . . . . .

77

3.3.1. Giao thức chuyển tiếp hợp tác Khuếch đại - Chuyển tiếp (Amplify
and Forward) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

3.3.2. Đề xuất tính toán xác suất dừng của mạng chuyển tiếp phân tập

hợp tác trên kênh pha đinh Suzuki độc lập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

3.3.3. Đề xuất tính toán xác suất dừng của mạng chuyển tiếp phân tập
hợp tác trên kênh pha đinh Suzuki tương quan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

3.4. Đề xuất thuật toán gán các CR bị loại bỏ thành các nút chuyển tiếp cho
các CR tham gia hợp tác cảm nhận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.5. Kịch bản và Kết quả. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.5.1. Kịch bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.5.2. Các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

vi


3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91
94

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

PHỤ LỤC. Tính toán ma trận hiệp phương sai CZ từ ma trận hiệp
phương sai CLn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

108


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
VÀ CHỮ VIẾT TẮT

viii


Danh mục các ký hiệu
STT Ký hiệu

Mô tả

1

in thường

Vô hướng

2

in thường, đậm

Vector

3

in hoa, đậm

Ma trận

4

P

Xác suất

4

Pf

Xác suất phát hiện sai cục bộ

5

Pd

Xác suất phát hiện cục bộ

6

Pm

Xác suất phát hiện sót cục bộ

7

Qf

Xác suất phát hiện nhầm tổng hợp

8

Qd

Xác suất phát hiện tổng hợp

9

Qm

Xác suất phát hiện sót tổng hợp

10

λ

Ngưỡng năng lượng

11

Γ(., .)

Hàm Gamma thiếu

12

Γ(.)

Hàm Gamma đủ

13

u

Tích độ rộng băng tần W với Thời gian T ,
u = WT

14

Qu (., .)

Hàm Marcum-Q tổng quát

15

Iu−1 (.)

16

Hàm Bessel loại 1 bậc (u − 1)

γ

Giá trị SNR tức thời

17

γ

Giá trị SNR trung bình

18

ξ

Hệ số chuyển đổi đơn vị logarit và tuyến tính

19

ǫ

Dung sai cho phép

20

ρ

Hệ số tương quan

ix


Danh mục các ký hiệu
STT Ký hiệu

Mô tả

21

σZ2

Phương sai của biến Z

22

µZ

Giá trị trung bình của biến Z

23

µth

Ngưỡng xác suất dừng

24

R

Độ tương quan

25

Rth

Ngưỡng tốc độ thông tin dừng

26

E

Phép tính trung bình

27

Eb

Năng lượng bit

28

CLn

Ma trận hiệp phương sai của các biến có phân
bố Gauss

29

CZ

Ma trận hiệp phương sai của véc tơ z

30

d

Khoảng cách giữa hai phần tử CR

31

L

Số các nhánh phân tập

32

p

Độ lợi công suất

33

h

Độ lợi (hoặc mất mát) kênh

34

Y

Năng lượng tín hiệu thu được

x


Danh mục các chữ viết tắt Tiếng Anh
STT
1

Chữ
viết tắt
ADC

Mô tả Tiếng Anh

Mô tả Tiếng Việt

Analog - Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang
số

2

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

3

AWGN

Additive

Tạp âm Gaussian Trắng cộng

White

Gaussian

Noise

tính

4

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

5

BS

Base Station

Trạm gốc

6

CCC

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

7

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

8

CDF

Cummulative Density Func-

Hàm mật độ tích lũy

tion
9

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

10

FC

Fusion Center

Trung tâm tổng hợp

11

ILT

Inverse Laplace Transform

Biến đổi Laplace ngược

12

MAC

Multiple Access Control

Điều khiển đa truy cập

13

MGF

Moment Generating Function

Hàm tạo mô-men

14

MRC

Maximal Ratio Combing

Kết hợp tỷ số tối đa

xi


Danh mục chữ viết tắt Tiếng Anh

STT
15

Chữ
viết tắt
OFDM

Mô tả Tiếng Anh

Mô tả Tiếng Việt

Orthogonal Frequency Divi-

Ghép kênh phân chia theo

sion Multiplexing

tần số trực giao

16

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

17

PU

Primary User

Người dùng sơ cấp

18

QAM

Quadrature Amplitude Mod-

Điều biên toàn phương

ulation
19

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

20

QPSK

Quadrature Phase Shift Key-

Khóa dịch pha toàn phương

ing
21

ROC

Receiving Operating Curve

Đường đặc tính thu

22

RV

Random Variable

Biến ngẫu nhiên

23

SDF

Selection Decode - Forward

Giải mã và chuyển tiếp lựa
chọn

24

SDR

Sofware - Defined Radio

Vô tuyến trên nền tảng phần
mềm

25

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

26

SS

Secondary Station

Trạm thứ cấp

27

SU

Secondary User

Người dùng thứ cấp

28

UWB

Ultra WideBand

Băng siêu rộng mặt đất

xii


DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1

Giá trị µ(dB) của kênh (Sj , Ri ) với µnormalized = 0 tại khoảng cách
2d, α = 3, tính theo phương trình (3.48) . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2

Ước tính µˆR và σˆR của hR trong mạng chuyển tiếp hợp tác (Sj , Ri , D)
(dB) sử dụng hàm fsolve tại hai điểm p1 = 0,1 và p2 = 0,2 . . . . . . . 87

3.3

Ma trận xác suất dừng của mạng chuyển tiếp hợp tác (Sj , Ri , D)
với µth = 0,1 trong môi trường pha đinh Suzuki độc lập . . . . . . . . 89

3.4

Ma trận xác suất dừng của mạng chuyển tiếp hợp tác (Sj , Ri , D)

với µth = 0,1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

xiii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng cảm nhận phổ: pha đinh đa
đường, che khuất và không xác định bộ thu. . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1

Hố phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2

Chu trình nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3

Phân loại các kỹ thuật cảm nhận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4

Sơ đồ khối bộ phát hiện năng lượng [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.5

Sơ đồ khối bộ phát hiện đặc tính dừng lặp [32] . . . . . . . . . . . . . 21

1.6

Sơ đồ khối bộ phát hiện sử dụng bộ lọc hòa hợp [32] . . . . . . . . . . 22

1.7

Mô hình truyền lan vô tuyến di động điển hình . . . . . . . . . . . . . 24

1.8

Mô hình thu phân tập trong kênh pha đinh phức hợp Rayleigh lognormal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.9

ROC (Pm vs. Pf ) dưới ảnh hưởng pha đinh Rayleigh có γ =
5dB, u = 5 [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.10 ROC (Pm vs. Pf ) dưới ảnh hưởng của pha đinh che khuất có phân
bố lognormal với các giá trị khác nhau của σdB và γ = 5dB, u = 5 [4] . 32
1.11 ROC dưới ảnh hưởng của pha đinh Suzuki sử dụng phương pháp
xấp xỉ Gauss - Hermite vs phương pháp của Atapattu [64] . . . . . . 34
1.12 Mô hình cảm nhận phổ hợp tác tập trung sử dụng vô tuyến nhận
thức trong môi trường pha đinh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.13 ROC của hợp tác cảm nhận trong môi trường pha đinh Rayleigh
sử dụng quy tắc k -out-of-n với γ = 5dB , u = 5, n = 7 và k thay đổi. . 36

xiv

1.14 ROC của hơp tác cảm nhận trong môi trường pha đinh lognormal
sử dụng quy tắc k -out-of-n với γ = 5dB , σdB = 3dB , u = 5, n = 5
và k thay đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.15 ROCs trong môi trường pha đinh Suzuki sử dụng quy tắc k -outof-n với µZ = 2dB , σZ = 5dB , và n = 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.16 ROC trong môi trường pha đinh Suzuki sử dụng quy tắc k -outof-n (µZ = 0dB , σZ = 3dB , và n = 5) với các giá trị khác nhau của
k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.17 ROC trong môi trường pha đinh Suzuki sử dụng quy tắc k -outof-n (µZ = 0dB , σZ = 3dB , and k = 1) với các giá trị khác nhau
của n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1

Mạng vô tuyến nhận thức thực hiện cảm nhận phổ của trạm
truyền hình trong vùng ngoại ô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2

Ma trận hiệp phương sai chuẩn hóa của các tín hiệu nhận được
tại các SSi với i = 1, 2, ..., 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3

So sánh ROC của ba trường hợp: đường trên cùng là ROC trong
trường hợp sử dụng 12 SS tham gia hợp tác cảm nhận, đường
màu xanh là ROC khi đã loại bỏ SS1 , SS2 và SS3 , đường màu đỏ
(tốt nhất) là ROC khi đã loại bỏ 5 SS bị ảnh hưởng của pha đinh
che khuất ra khỏi hợp tác cảm nhận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.4

Sơ đồ mạng chuyển tiếp phân tập M nút chuyển tiếp . . . . . . . . . 48

2.5

Sơ đồ tái sử dụng CR bị ảnh hưởng của pha đinh sâu làm nút
chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.6

Hiệu năng cảm nhận của mạng cảm nhận phổ hợp tác khi sử dụng
và không sử dụng các CR bị ảnh hưởng của pha đinh sâu thành
các nút chuyển tiếp phân tập có ngưỡng độ lợi kênh µth = 10−3 . . . . 53

2.7

Hiệu năng cảm nhận của mạng cảm nhận phổ hợp tác khi sử dụng
và không sử dụng các CR bị ảnh hưởng của pha đinh sâu thành
các nút chuyển tiếp phân tập có ngưỡng độ lợi kênh µth = 0, 005 . . . 54

2.8

Lưu đồ thuật toán lựa chọn số lượng CR thích hợp tham gia cảm
nhận phổ hợp tác sử dụng quy tắc quyết định cứng k -out-of-n . . . . 56
xv


2.9

Lựa chọn số lượng CR tham gia hợp tác dưới ảnh hưởng của kênh
pha đinh Rayleigh với các giá trị khác nhau của Pf sử dụng quy

tắc OR, ǫ = 10−3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.10 Lựa chọn số lượng CR tham gia hợp tác dưới ảnh hưởng của kênh
pha đinh Lognormal với các giá trị khác nhau của Pf sử dụng quy
tắc OR, ǫ = 10−3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.11 Tính toán số lượng CR tham gia hợp tác cảm nhận trong môi
trường Suzuki sử dụng OR rule với ǫ = 10−3 . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.12 Tính toán số lượng CR tham gia hợp tác cảm nhận trong các môi
trường pha đinh khác nhau sử dụng OR rule với ǫ = 10−3 . . . . . . . 59
3.1

Mô hình thu phân tập trong kênh pha đinh Suzuki. . . . . . . . . . . 62

3.2

BER lý thuyết (đường liền nét) và BER mô phỏng Monte - Carlo
(đường hình sao) của tín hiệu QPSK mã hóa Gray sử dụng mô
hình MRC phân tập vi mô trong kênh pha đinh phức hợp Rayleigh
- Lognormal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3

So sánh hiệu năng của phương pháp gán MGF hai điểm với
phương phương gán MGF một điểm và MRC không bị mất mát
với trường hợp N = 2 biến Suzuki đầu vào. . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.4

So sánh hiệu năng BER của phương pháp gán MGF hai điểm và
phương pháp gán MGF 1 điểm và MRC không tổn hao. . . . . . . . . 73

3.5

BER lý thuyết và BER mô phỏng Monte - Carlo của tín hiệu
QPSK sử dụng mô hình MRC phân tập vĩ mô trong kênh pha
đinh phức hợp Rayleigh - lognormal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.6

Mô hình mạng chuyển tiếp phân tập hợp tác gồm M nút chuyển tiếp 77

3.7

Xác suất dừng trong mạng chuyển tiếp phân tập hợp tác AF dưới
ảnh hưởng của pha đinh Suzuki độc lập . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.8

Ghép histogram của |hR |2 được tính toán từ (3.34) thành PDF

của một biến Suzuki đơn lẻ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.9

PDF của |hAF |2 tính toán theo lý thuyết khi so sánh với mô phỏng . 83

3.10 Xác suất dừng của kênh Suzuki tương quan theo mô phỏng và lý

thuyết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
xvi

3.11 Mô hình mô phỏng mạng thông báo để minh họa thuật toán ghép
đôi CR - nút chuyển tiếp đề xuất trong luận án . . . . . . . . . . . . . 86
3.12 Hiệu năng cảm nhận của mạng cảm nhận phổ hợp tác sử dụng
CR làm nút chuyển tiếp khi so sánh với trường hợp không có nút
chuyển tiếp, ngưỡng rớt µth = 0,1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.13 Hiệu năng cảm nhận của mạng cảm nhận phổ hợp tác bị ảnh
hưởng của pha đinh Suzuki tương quan khi sử dụng và không sử
dụng các CR kém thành các nút chuyển tiếp, ngưỡng rớt µth = 0,1. . 92
3.14 Hiệu năng cảm nhận của mạng cảm nhận phổ hợp tác khi thay
đổi số lượng CR được gán làm nút chuyển tiếp, ngưỡng rớt µth = 0,1. 93

xvii


MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Tổng quan về nghiên cứu mạng cảm nhận phổ vô tuyến nhận
thức trên thế giới
Sự phát triển mạnh mẽ trong truyền thông vô tuyến đã tạo ra một nhu
cầu to lớn đối với việc sử dụng các dịch vụ vô tuyến mới ở cả phổ băng tần
được cấp phép và không được cấp phép [33]. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần
đây cho thấy chính sách gán phổ cố định đã dẫn đến hiện tượng việc tận dụng
nguồn phổ kém hiệu quả. Nhằm giải quyết vấn đề này, vô tuyến nhận thức (CR
- Cognitive Radio) [40, 65] đã nổi lên và trở thành một công nghệ hứa hẹn cho
phép truy cập vào các dải tần trống, được gọi là không gian trắng hay các hố
phổ, và do đó làm tăng hiệu suất sử dụng phổ. Nhiệm vụ chính của mỗi người
dùng CR trong mạng CR đó là phát hiện ra các người dùng được cấp phép, hay
còn gọi là người dùng sơ cấp (PU - Primary User), có tồn tại hay không và xác

định phổ tần trống nếu các PU này vắng mặt. Điều này có thể được thực hiện
bằng cách cảm nhận môi trường vô tuyến RF (Radio Frequency), quá trình này
được gọi là cảm nhận phổ [32, 39, 71]. Mục tiêu của cảm nhận phổ gồm hai
phần: thứ nhất, người dùng CR không được gây ra nhiễu xấu đối với các PU
bằng cách hoặc chuyển đến một băng tần sẵn có khác hoặc giới hạn nhiễu của
mình đối với các PU ở mức độ chấp nhận được; thứ hai, người dùng CR phải
xác định và tận dụng một cách có hiệu quả các hố phổ thỏa mãn chất lượng dịch
1


vụ (QoS - Quality of Service) và thông lượng yêu cầu. Do đó, hiệu năng phát
hiện (Detection Performance) trong cảm nhận phổ là cực kỳ quan trọng đối với
hiệu năng của cả mạng CR và mạng sơ cấp.
Đối với vấn đề cảm nhận phổ, bài toán đặt ra đó là: thực hiện cảm nhận
phổ như thế nào? Hiện nay, có rất nhiều thuật toán đã được đề xuất như:
- Cảm nhận dựa trên phát hiện năng lượng [13, 69, 80]. Đây là phương pháp
phổ thông nhất của cảm nhận phổ vì tính toán đơn giản và độ phức tạp
thấp. Phương pháp này không yêu cầu phải thu thập dữ liệu của tín hiệu.
- Cảm nhận phổ dựa vào dạng sóng mang con [8, 29, 67]. Phương pháp này
chỉ được áp dụng cho hệ thống với các mẫu tín hiệu được biết trước. Nên
còn được gọi là cảm nhận kết hợp (coherent).
- Cảm nhận phổ dựa trên đặc tính dừng lặp [13, 56, 61, 69]. Phương pháp
này phát hiện tín hiệu của PU dựa trên đặc tính dừng lặp của tín hiệu thu
được. Đặc tính dừng lặp xuất phát từ tính tuần hoàn của tín hiệu hoặc
tính thống kê như giá trị trung bình hay tính tự tương quan.
- Phép lọc hòa hợp - Matched Filtering: Phương pháp này được xem là tối
ưu cho việc phát hiện các người dùng sơ cấp PU khi tín hiệu phát đã được
biết trước [38]. Ưu điểm của phương pháp này là mất ít thời gian để đạt
được một xác suất phát hiện sai hoặc xác suất phát hiện sót nhất định khi
so sánh với các phương pháp khác [62]. Tuy nhiên, phương pháp này yêu

cầu CR phải giải điều chế tín hiệu. Do đó, nó yêu cầu thông tin hoàn hảo
về đặc tính báo hiệu của PU như độ rộng băng tần, tần số hoạt động, bậc
và loại điều chế, dạng xung, và khuôn dạng khung. Một nhược điểm nữa
của phương pháp này đó là công suất tiêu thụ lớn hơn các phương pháp
khác khi ở bộ thu sử dụng nhiều thuật toán khác nhau để thực thi việc
phát hiện tín hiệu.
Hiệu năng phát hiện có thể được xác định dựa trên hai thông số cơ bản:
xác suất phát hiện sai (false-alarm probability) là xác suất của một người dùng
CR cho rằng PU tồn tại khi phổ trong thực tế lại rỗi, và xác suất phát hiện
(detection probability) là xác suất của một người dùng CR cho rằng PU tồn tại
2


CR1
Nhiễu

Không xác
CR3 định bộ thu

Mạng sơ
cấp

Mạng CR
PU Tx

PU Rx

CR2

Pha đinh che khuất

và đa đường

Hình 1: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng cảm nhận phổ: pha đinh đa đường, che
khuất và không xác định bộ thu.

khi phổ trong thực tế đang bị PU chiếm dụng. Vì việc bỏ sót trong phát hiện
có thể gây ra nhiễu đối với PU và một phát hiện sai sẽ làm giảm hiệu suất phổ,
nên người ta thường yêu cầu hiệu năng phát hiện tối ưu nghĩa là xác suất phát
hiện là lớn nhất trong điều kiện ràng buộc của xác suất phát hiện sai. Rất nhiều
nhân tố trong thực tế như pha đinh đa đường, pha đinh che khuất, và hiện
tượng không xác định bộ thu [31] có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng phát
hiện trong cảm nhận phổ. Hình 1 minh họa pha đinh đa đường, pha đinh che
khuất và không xác định bộ thu. Như trong Hình 1, CR1 và CR2 được đặt trong
dải phát của bộ phát sơ cấp (PU Tx) trong khi CR3 lại nằm bên ngoài dải. Do
nhiều bản sao bị suy hao của tín hiệu PU và sự cản trở của ngôi nhà, CR2 bị ảnh
hưởng của pha đinh đa đường và pha đinh che khuất khiến tín hiệu PU không
thể được phát hiện đúng. Hơn nữa, CR3 chịu ảnh hưởng của vấn đề không xác
định bộ thu vì nó không biết được việc truyền tín hiệu của PU và sự tồn tại
của bộ thu sơ cấp (PU Rx). Kết quả là, việc truyền tín hiệu từ CR3 có thể gây
nhiễu với việc thu tại PU Rx. Tuy nhiên, do phân tập không gian, nên không
phải tất cả người dùng CR phân bố theo không gian trong một mạng CR đều
bị ảnh hưởng pha đinh hay vấn đề không xác định bộ thu. Nếu các người dùng
3


CR, hầu hết đều quan sát được tín hiệu PU mạnh như CR1 trong hình vẽ, thì
có thể hợp tác và chia sẻ các kết quả cảm nhận với các người dùng khác. Quyết
định hợp tác kết hợp từ các quan sát được lựa chọn theo phân bố không gian có
thể khắc phục yếu điểm của các quan sát riêng lẻ tại mỗi một người dùng CR.
Do đó, hiệu năng phát hiện tổng có thể được cải thiện một cách đáng kể. Đây

chính là lý do cảm nhận phổ hợp tác (gọi tắt là cảm nhận hợp tác) [3, 13, 66] là
một hướng tiếp cận hiệu quả và hấp dẫn để hạn chế pha đinh đa đường và pha
đinh che khuất cũng như làm giảm nhẹ vấn đề không xác định bộ thu.
Ý tưởng chính của cảm nhận hợp tác là tăng cường hiệu năng cảm nhận
bằng cách tận dụng phân tập không gian trong các quan sát của các người dùng
CR phân bố trong không gian. Bằng cách hợp tác, các người dùng CR có thể
chia sẻ thông tin cảm nhận của mình để đưa ra quyết định cuối cùng chính xác
hơn các quyết định riêng lẽ [13]. Một số các kỹ thuật hợp tác cảm nhận được
đề xuất, đó là:
- Hợp tác cảm nhận tập trung: Có một bộ tổng hợp trung tâm (Fusion Center
- FC) thu thập thông tin cảm nhận từ các thiết bị vô tuyến nhận thức,
xác định phổ tần sẵn có và quảng bá thông tin này đến các người dùng vô
tuyến nhận thức hoặc trực tiếp điều khiển lưu lượng vô tuyến nhận thức
[63, 72]
- Hợp tác cảm nhận phân tán: Trong trường hợp hợp tác cảm nhận phân
tán, các CR chia sẻ thông tin với nhau và tự mình đưa ra quyết định phần
phổ nào mình có thể sử dụng được [49, 50, 77]. Hợp tác cảm nhận phân
tán có ưu điểm hơn hợp tác cảm nhận tập trung khi không cần cơ sở hạ
tầng xương sống (backbone infrastructure) và làm giảm chi phí.
- Hợp tác cảm nhận ngoài: Trong phương pháp này, có một thiết bị bên
ngoài thực hiện việc cảm nhận và gửi quảng bá thông tin chiếm kênh đến
các CR [69]. Ưu điểm của phương pháp cảm nhận ngoài là khắc phục được
hiện tượng ẩn PU và tính không xác định do pha đinh che khuất và đa
đường. Hơn nữa khi CR không mất thời gian cho việc cảm nhận thì hiệu
suất sử dụng phổ sẽ tăng lên.
Việc gửi thông tin cảm nhận của các CR đến FC hoặc chia sẻ các kết quả cảm
4


nhận đến các nút lân cận được thực hiện trên kênh điều khiển chung [9, 31].

Kênh điều khiển này có thể là kênh dành riêng trong băng tần cấp phép hoặc
không được cấp phép, hoặc có thể là kênh băng rộng mặt đất [13]. Xét về phương
diện vật lý, một liên kết vật lý điểm - điểm từ một CR tham gia hợp tác cảm
nhận đến FC được gọi là kênh thông báo (reporting channel). Để thông báo dữ
liệu cảm nhận, một trong những yêu cầu mà kênh thông báo cần phải đáp ứng
đó là độ tin cậy (reliability).
Giống như kênh cảm nhận, kênh điều khiển bị ảnh hưởng của hiện tượng
pha đinh. Do đó, hiện tượng suy giảm kênh cần được xem xét trong vấn đề
độ tin cậy của kênh điều khiển. Các nghiên cứu trước đây [3, 20] sử dụng giả
thiết kênh điều khiển hoàn hảo không bị lỗi trong cảm nhận hợp tác, các nghiên
cứu gần đây nghiên cứu ảnh hưởng của tạp âm Gauss [82], pha đinh đa đường
[78, 35] và pha đinh tương quan [48].

Tình hình nghiên cứu về Vô tuyến nhận thức trong nước
Ở Việt Nam hiện nay các vấn đề về nghiên cứu Vô tuyến nhận thức chủ
yếu tập trung vào vấn đề chia sẻ phổ trong truyền tin (spectrum sharing) trong
khi các vấn đề liên quan đến cảm nhận phổ thì lại chưa được quan tâm nhiều.
Nhóm tác giả thuộc Học viện Công Nghệ Bưu chính viễn thông đã có rất
nhiều bài viết chuyên sâu về đánh giá hiệu năng của mạng chuyển tiếp vô tuyến
nhận thức khi thực hiện chia sẻ phổ dưới nền hay chồng lấn [44, 70, 73].
Nhóm tác giả thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung giải quyết bài
toán phân bố công suất để tránh nhiễu khi thực hiện chia sẻ phổ và đã thực thi
một số Testbed trên nền tảng SDR (Sofware Defined Radio) [58].
Một nghiên cứu sinh của trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội tập trung nghiên cứu “Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin Vô
tuyến có nhận thức dựa trên OFDM” dựa trên các giải pháp phân bố công suất
cho các sóng mang con, đảm bảo được điều kiện bảo vệ về nhiễu cho các PU
[59, 60].

5

Những hạn chế nghiên cứu về cảm nhận phổ trong vô tuyến
nhận thức
Như đã trình bày ở trên, pha đinh là một trong những nhân tố gây ảnh
hưởng mạnh mẽ đối với hệ thống vô tuyến nhận thức trên cả hai kênh cảm nhận
và kênh thông báo. Có hai bài toán đặt ra đó là:
- Đối với kênh cảm nhận: Đánh giá hiệu năng cảm nhận phổ cục bộ của các
CR dưới ảnh hưởng của pha đinh. Việc tính toán các xác suất phát hiện,
xác suất phát hiện sai đã được tổng quát hóa trong [3]. Đặc biệt đối với
xác suất phát hiện cục bộ Pd trong từng kênh pha đinh cụ thể, mục tiêu
sẽ là đưa công thức tổng quát về dạng đóng (closed - form) hoặc xấp xỉ
nhằm giảm độ phức tạp trong việc tính toán số học.
- Đối với kênh thông báo: nâng cao độ tin cậy của kênh thông báo dưới ảnh
hưởng của pha đinh.
Rất nhiều nhà khoa học đã đi vào nghiên cứu hai bài toán nêu trên, tuy
nhiên phần lớn chỉ tập trung vào hai mô hình kênh pha đinh phổ biến là pha
đinh đa đường Rayleigh và pha đinh che khuất (shadowing). Trong [3, 21], các
tác giả đã đề xuất phương pháp tính toán để đưa xác suất phát hiện trong kênh
pha đinh Rayleigh về dạng đóng. Riêng đối với trường hợp pha đinh lognormal,
hiện nay vẫn chưa đề xuất được công thức tính dạng đóng cho xác suất phát
hiện.
Ảnh hưởng của pha đinh trong kênh thông báo cũng đã được xem xét trong
pha đinh đa đường [35, 78] và pha đinh tương quan [48]. Trong [35], tác giả đã
đề xuất phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên xác suất lỗi của kênh
truyền để nâng cao độ tin cậy trong truyền tin trên kênh pha đinh đa đường.
Trong khi đó, một mô hình pha đinh rất phù hợp với thực tế trong môi
trường truyền lan đô thị do Suzuki đề xuất [28] lại chưa thực sự được quan tâm
nhiều. Mô hình này được đặt tên là mô hình pha đinh Suzuki. Mô hình pha
đinh Suzuki đặc biệt hữu dụng trong việc đánh giá hiệu năng đường liên kết

của các trạm di động tĩnh hoặc di chuyển chậm khi bộ thu gặp khó khăn trong
việc trung bình hóa các ảnh hưởng của pha đinh [43]. Đây là một mô hình pha
6


đinh kết hợp của mô hình pha đinh che khuất lognormal và pha đinh Rayleigh,
mô hình này tương đối phức tạp trong việc tính toán toán học để đánh giá hiệu
năng. Hiện nay mới chỉ có bài báo của Atapattu [64] là xem xét đến bài toán
đánh giá hiệu năng cảm nhận phổ trên kênh pha đinh Suzuki. Trong bài báo
này, tác giả cũng đã đề xuất một phương pháp tính toán hiệu năng phát hiện
Pd dựa trên phương pháp thặng dư đa thức hữu tỷ. Riêng ảnh hưởng của pha

đinh Suzuki đối với kênh thông báo trong hợp tác cảm nhận thì cho đến nay
theo như hiểu biết của Nghiên cứu sinh chưa hề được đề cập đến.

Mục đích nghiên cứu
Trước xu hướng nghiên cứu của thế giới cũng như trong nước về vô tuyến
nhận thức hiện nay, luận án được giới hạn trong phạm vi như sau:
- Tập trung đi vào giải quyết các bài toán trong cảm nhận phổ sử dụng kỹ
thuật phát hiện năng lượng.
- Nghiên cứu vấn đề cảm nhận phổ hợp tác sử dụng kỹ thuật hợp tác cảm
nhận tập trung.
- Cải thiện hiệu năng của mạng hợp tác cảm nhận cũng như độ tin cậy trong
truyền tin trên kênh thông báo dưới ảnh hưởng của pha đinh.
Các kết quả nghiên cứu của luận án nhằm mục đích nâng cao hiệu năng cảm
nhận phổ của mạng vô tuyến nhận thức cảm nhận phổ hợp tác dưới ảnh hưởng
của pha đinh Suzuki.
Từ đây, mục tiêu của luận án gồm:
- Nghiên cứu mô hình pha đinh Suzuki.
- Đề xuất phương pháp tính toán hiệu năng cảm nhận phổ trên kênh cảm

nhận dưới ảnh hưởng của pha đinh Suzuki.
- Đề xuất phương pháp nâng cao hiệu năng cũng như độ tin cậy của hợp tác
cảm nhận dưới ảnh hưởng của pha đinh Suzuki trên kênh thông báo.
7


Phương pháp nghiên cứu
Hướng tiếp cận
Thứ nhất, đối với mô hình kênh pha đinh Suzuki sẽ xem xét theo hai
khía cạnh: pha đinh Suzuki độc lập và pha đinh Suzuki tương quan. Dựa trên
đặc tính của kênh truyền để xây dựng công thức tính cho hàm mật độ xác
suất (probability density function - PDF) của tín hiệu tổng thu được tại bộ thu
MRC trên hai mô hình kênh này dựa vào hàm sinh Moment (Moment Generating
Function - MGF).
Thứ hai, đối với việc tính toán hiệu năng cảm nhận phổ dưới ảnh hưởng
của pha đinh Suzuki, hướng tiếp cận sẽ dựa vào những mô hình toán học của
kênh để đưa ra công thức tính ở dạng đóng sử dụng xấp xỉ Gauss - Hermite.
Thứ ba, đối với vấn đề nâng cao hiệu năng cũng như độ tin cậy của hợp
tác cảm nhận phổ dưới ảnh hưởng của pha đinh Suzuki trên kênh thông báo, sẽ
hướng vào việc sử dụng các nút chuyển tiếp hỗ trợ truyền tin cho các CR tham
gia hợp tác để gửi thông tin cảm nhận đến FC.

Phương pháp
Trong luận án, nghiên cứu sinh đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu
sau:
• Khảo sát các hướng đang nghiên cứu trên thế giới
• Xác định bài toán nâng cao hiệu năng cảm nhận
• Xây dựng mô hình và tính toán giải tích
• Sử dụng Matlab tiến hành mô phỏng để thu thập số liệu, xử lí, xem xét

đặc tính, minh chứng

Chi tiết các bước gồm có:
- Sử dụng MGF để tính toán PDF của tín hiệu tổng tại bộ thu MRC dưới
ảnh hưởng của pha đinh Suzuki tương quan và không tương quan.
8